连续物料-连续溢流洗涤参数的关联.doc

安徽省化学化工学会选荐 安徽省节能技术中心一九八四年年会报告论文 选荐参加一九八五年 全国节能资料展览会（北京）连续物料连续溢流洗涤参数的关联对降低洗涤能耗的基础理论研究杜 昌 桂（安徽省化工设计院）一 九 八 四 年 内 容 摘 要 诸如化学、纺织、造纸等工业中，均常涵连续（固体）物料的液相处理和洗涤过程，然当今这方面的基础理论研究甚少；一直沿袭的一些工程设施普遍存在不同程度的结构不合理，生产能力低，水、电消耗高和污水量大等问题。鉴于此，本文开展了对此类过程中的水耗（）、物料流量（）、洗涤时间（）、物料附含污水量（V）、洗涤器的实际盛水容积（V0）以及洗涤液中杂质的瞬时浓度（C）和极限浓度（Ck）等诸参数进行关联的研究，求得几个关联方程式。其中主要的有：两个代数函数： Ck= ； 一个指数衰减函数： C= （ e 1）；和一个对数函数： = 等。通过对这些方程的数学分析，敷之例算，并绘之以相对的定量图表，从而给研究“连续物料的液相处理和洗涤过程”提供了理论基础；为组织此类过程的生产，指明了增产、节料、节水、节能和减少污染的途径；以及对它们的相互制约明确了效率极限等。本文并据此提出若干优化设计的明确结论。连续物料 连续溢流洗涤参数的关联对降低洗涤能耗的基础理论研究连续物料、连续溢流的洗涤过程在化工、纺织、造纸等行业中经常用到。此类洗涤过程是指大宗的整体物料，连续不断地等速等量（重量、容量或面积、长度等）地流经洗涤器进行洗涤。器内予先注满（或至溢流口）清水，物料开始流动时，清水即连续不断地等速流向器内，当然，此时污水亦以同样的流速溢出器外。如此流水不息，物料不停连续不断地进行洗涤。如图1所示。图1 连续物料连续溢流洗涤方法示意图纺织、塑料、造纸工业中的洗涤等常属此类。常用的洗涤设置均类于上图所示。研究一下此类洗涤方式中的耗水量、清洁度与洗涤容器的容积、物料和清水的流速，以及物料含杂质的量等因素之间的关系，从而找出增产节约的措施，是非常有意义的。现令：V0为洗涤器的实际盛水容积（器满或至溢流口的容积减去物料的容积），m3；V为单位物料洗涤前、后所附含的污水容积（设前后相等），m3；为注入洗涤器的清水流速（亦即污水的排溢流速），m3/min；C为洗涤液的瞬时浓度，mg/L；C1为物料洗涤前所含的污水浓度（设每一宗物料全部相等），mg/L；C2为物料洗涤后所附含的污水浓度（即洗涤液的浓度），mg/L；Ck为污水的平衡浓度，mg/L； 为时间，min；为达到平衡浓度时所需的时间，min；为物料的流量，C、G单位/min；W为洗涤用水的时耗，m3/h；n为洗涤次数，次；设：洗涤开始后由于物料的搅动，水流的搀湍，污水的浓度时时都是均匀的。又，杂质对水容积的影响可忽略不计。开始洗涤时，洗涤器内为清水，杂质浓度为0；洗涤开始后，连续注入洗涤器的也是清水，杂质浓度也为0，引起污水中杂质含量变化的有三个因素：其一是物料的连续带入，其二是洗涤后的物料的连续带出，其三是污水的连续排出。因物料的流量不变，且其上所附含的杂质均匀，也就是物料连续带入杂质的流量不变；洗涤开始后，物料上的杂质不断进入洗涤液中，因污水不断溢流，流出物料所附含的污水杂质浓度，必较洗涤前为低。也即随着洗涤的进行，物料上的杂质将不断地（然而是逐渐减少地）遗留在洗涤液中；又因时时溢流中的杂质量只是“遗留”的一部分，故洗涤液中的杂质的浓度，在一定阶段内，将随着洗涤的进行而逐渐增大。随着洗涤液杂质浓度的增大，被溢流和物料带走的杂质量也必然逐渐增加，致使“遗留积累”的速率，逐渐减小。当减小至0时，也就是于某一瞬间，物料带入的杂质的量 = 物料带出杂质的量 + 溢流带出杂质的量时，洗涤液中杂质的浓度就不再变化了，即达到了所谓的平衡状态。这个平衡状态是动态平衡。达到平衡状态后，流出的物料上的所附含的污水的杂质浓度不再增大。此时的浓度称为平衡浓度。一宗物料，此后的洗涤过程，清洁度都将保持在这样的水平上，不再改变了。物料带入杂质量 = （单位物料洗涤前所附含的污水容积）（物料流量）（物料洗涤前所附含的污水的杂质的浓度） =物料带出杂质量 =（单位物料洗涤后所附含的污水容积）（物料的流量）（物料洗涤后所附含的污水杂质浓度） =溢流污水带去杂质量 =（溢流污水的流量）（溢流污水的浓度） = 当达到平衡状态时 =+ 用平衡浓度符号Ck代替C2，即得： （1） 这就是当C1、V、诸因数确定后，洗涤液最终不变的平衡浓度。它与C1成正比；随着V和的增大而增大；随着的增大而减小；而与V0无关；亦没有体现时间因果。在既定的杂质浓度C1和产量（即）前提下，增大和减少V，可以降低Ck的数值，提高洗涤的效果。由式（1），经对的求解，可得清水的流量： = （2） 可见清水的流量与清洁度（即Ck）的要求成正变，二者为线性函数关系。由式（1），经过对的求解，可得： （3）与V、C、Ck诸因数间都是线性函数关系。当V、C1不变时，对Ck（即清洁度）要求高，则（即产量）必须降低。平衡前洗涤液中杂质的浓度与时间的关系：现将洗涤液中的杂质浓度从开始洗涤（此时为0）至达到平衡时的变化过程的总时间分成一系列短暂的时间间隔。在内杂质浓度的改变为C，设在时间间隔内，洗涤液中杂质的平均浓度为Cave，利用物料衡算方程式，显然，平衡前洗涤液中杂质的增量 = 物料带入量 - 物料带出量 - 溢流液带出的量。即： 当趋近于0，则Cave将趋近于C。令则当时，C=0 （4）由式（4）对求解两端取对数 （5）将A和B代入式（4）得： （6）这是一个指数衰减函数，在某个时的C值随着V0的增大而加大。将A和B代入式（5）得： （7）这是一个对数函数，在某个C时的值与V0成正比。将式（1）代入式（7），得。即理论达到平衡所需的时间为无限长，但实践中很快就能达到有效的近似平衡。以平衡浓度的有效近似值代入式（7）即得有效近似的值 （8）随着V0的增大而成比例地增加，随着V的增加而缩短。例：某印染厂对一批印染后的花布进行洗涤。洗涤槽的有效盛水容积为1米3，槽内予先注满清水。花布按产量计划以每秒2米的流速连续流经槽内洗涤液中进行洗涤，清水以每分400升的流速连续注往槽内，污水则自溢流口不断溢出。经化验每米花布附含水份500克，杂质1.0克。设花布洗涤前后所附含的水份相等，试计算：污水的平衡浓度，达到近似有效（小数后四位）平衡浓度所需的时间，若花布的流速不变（定2m/sec），污水的平衡浓度（可示清洁度）定为20mg/L时的一次洗涤的耗水量，若花布流速不变（定2m/sec），清水流量降至220L/min时，须经几次洗涤清洁度可达20mg/L的要求。若耗水量不变（定400L/min），污水的平衡浓度定为20mg/L时的花布流速（可示产量），作出到达平衡浓度前，浓度随时间变化的图象。已知：V0=1000L，V=0.5L/m，=400L/min，C1=10000.5=2000mg/L，=260=120m/min解：、污水的平衡浓度，由式（1） 、达到近似平衡浓度（小数点后四位）所需时间，由式（8） 、花布流速不变（定2m/sec），污水平衡浓度为20mg/L，一次洗涤时的耗水量，由式（2） 、花布流速不变（定2m/sec），清水量降至220时，欲满足清洁度20mg/L，必须洗涤的次数和总耗水量，由式（1）叠代计算如下：第一次，第二次，第三次， 洗涤三次满足要求，总耗水量为30.22=0.66m3、耗水量不变，水平衡浓度定为20mg/l时的花布流速，由式（3）、到达近似有效（小数点后四位）平衡浓度前，浓度与时间关系的图象，由式（6）计算数据列于表1，并据此绘制函数的图象如图2。表1 达近似平衡浓度前洗涤时间与对应洗涤液浓度表CCC1251096.1869156.9080234.7150258.247315202530260.6066260.8431260.8699260.869233.04743435260.8695260.8695260.8695现将上述一系列研究扩大计算列于表2，并据此绘制图3和图4，以资分析比较。综观以上分析论述，再结合图表和例算，不难得出如下几点结论：1、此类洗涤方法，存在一个动态平衡浓度。仅洗涤开始的短暂阶段内，物料的清洁度较高，但随着洗涤作业的连续进行，洗涤液的浓度很快增大并达到了实际上的平衡。自此以后物料的清洁度就固定不变了。 图2 达近似平衡浓度前洗涤时间与对应的洗涤液浓度的图象2、改变物料的流量，清水的流速和待洗物料的含水量等可以改变平衡浓度的数值，但不能消失“平衡”现象；若减小洗涤槽的有效盛水容积，既可降低平衡浓度的数值，亦可缩短达到平衡的时间。图3 清水流量对平衡浓度的影响 3、欲对提高物料的清洁度（即降低洗涤液的平衡浓度），可采用加大清水流速，减少物料流量，或降低物料洗前含水量和增加洗涤次数，或减小洗涤槽有效盛水容积等几种措施来实现。当然也可以同时采用两项或几项措施来实现。4、加大清水流速，即增加洗水消耗；减少物料流量，即减少产量。且二者的效果都很平淡，故此二者在实际生产中都不能考虑。降低物料洗前含水量，有利于增产节约，虽然效果亦平常。增加洗涤次数，在产量和水耗不变时，可以大幅度提高清洁度；当产量和清洁度要求不变时，可以大幅度降低总水耗。因此减小盛水容积、降低物料洗前含水量和增加物料洗涤次数是此类洗涤方法的几项简单易行，行之有效的增产节约措施。表2 、V分别对Ck和n对的影响效果比较表序固定参数自变参数求解参数比 率说 明1C1VCk1 2当(即产量)、V不变时，观察增加（即水耗），一次洗涤对降低Ck（即清洁度）的效果。3 图象见图320001200.51002003004005008001000750.0000461.5385333.3333260.8696214.2857139.5349113.20791234581010061.5444.4434.7828.5718.6115.092C1VCkr1 2当、V不变时，观察降低(即产量)对降低Ck的效果。20004000.51206030260.8696139.534972.287210.50.2510053.4927.713C1VCk1 2当、不变时，观察减少V对降低Ck的效果。20001204000.50.40.30.20.1260.8696214.2857165.1376113.207658.252410.80.60.40.210082.1463.3043.4022.334C1VnCk1由式 迭代计算。2当、V不变时，在保证Ck值20的情况下，观察增加洗涤次数对降低水耗的效果。3V=f（n）图象见图420001200.5123456759405402201309170582